4衛(wèi)星通信系統(tǒng)基礎(chǔ)詳解

呂晶教授南京通信工程學(xué)院衛(wèi)星通信系統(tǒng)基礎(chǔ)11概述1、1衛(wèi)星通信的基本概念什么是衛(wèi)星通信利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號(hào)，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。通信衛(wèi)星地球站地球站21概述1、1衛(wèi)星通信的基本概念“地球站”與“地面站”地球站指在地球表面的無線電通信站，包括地面站、機(jī)載站和船（艦）載站。地面站機(jī)載站船（艦）載站31概述1、1衛(wèi)星通信的基本概念“視距”通信在視線可達(dá)、“看得見”人造衛(wèi)星的范圍通信41概述1、1衛(wèi)星通信的基本概念是一種特殊的微波中繼通信方式屬宇宙通信之一地球站與宇宙站之間宇宙站之間通過宇宙站的轉(zhuǎn)發(fā)或反射進(jìn)行的地球站之間51概述1、1衛(wèi)星通信的基本概念星間鏈路與星際鏈路同軌道衛(wèi)星之間的通信鏈路－－ISL（Inter-SatelliteLinks）不同軌道宇宙站之間的通信鏈路－－IOL（Inter-OrbitLinks）61概述1、2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成空間分系統(tǒng)（通信衛(wèi)星）監(jiān)控管理分系統(tǒng)地球站地球站地球站跟蹤、遙測、指令分系統(tǒng)通信地球站分系統(tǒng)71概述1、2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)放射階段：對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測量，限制其精確進(jìn)入指定軌道的指定位置。運(yùn)行階段：對(duì)在軌衛(wèi)星的軌道、位置及姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和校正（軌道修正和位置保持）。81概述1、2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成監(jiān)控管理分系統(tǒng)對(duì)在軌衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)開通前的監(jiān)測和業(yè)務(wù)開通后的例行監(jiān)測和限制，以保證通信衛(wèi)星的正常運(yùn)行和工作。91概述1、2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成空間分系統(tǒng)－通信衛(wèi)星無線電中繼站電源裝置通信裝置遙測指令裝置控制裝置101、2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成通信地球站分系統(tǒng)無線電收發(fā)信臺(tái)，是用戶接入衛(wèi)星線路的接口。1概述111概述1、3衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)形式網(wǎng)狀網(wǎng)Mesh-likenetwork星狀網(wǎng)Star-likenetwork121概述1、4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展及動(dòng)向從應(yīng)用上看國際---國內(nèi)、地區(qū)---企業(yè)、住家---手持從業(yè)務(wù)范圍看固定業(yè)務(wù)---移動(dòng)業(yè)務(wù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多路復(fù)用電話和電視節(jié)目的中繼傳輸---數(shù)據(jù)、傳真、會(huì)議電視等---多媒體、ISDN業(yè)務(wù)（利用VSAT構(gòu)成衛(wèi)星廣域網(wǎng)）---流媒體、數(shù)字廣播131概述1、4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展及動(dòng)向從技術(shù)上看模擬---數(shù)字（兼容性、靈敏性、經(jīng)濟(jì)性、可再生、差錯(cuò)限制等）多種多址技術(shù)更高的頻段（干擾、容量）星上設(shè)備和功能越來越簡潔、功率小設(shè)備和功能日趨困難和完善、功率大141概述1、4衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展及動(dòng)向從技術(shù)上看地球站中心站技術(shù)越來越困難、功能日趨齊全遠(yuǎn)端站多功能、小型化、低成本（全數(shù)字化、軟件化）軌道多樣化、困難化總的來看，圍繞四大資源的有效利用進(jìn)行。151概述1、5衛(wèi)星通信系統(tǒng)的四大資源頻帶功率時(shí)間（壽命）軌道位置161概述1、6衛(wèi)星通信的特點(diǎn)衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)無縫隙覆蓋實(shí)力寬域的困難的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)成實(shí)力移動(dòng)性距離不敏感性171概述1、6衛(wèi)星通信的特點(diǎn)衛(wèi)星通信存在的問題時(shí)延問題高速寬帶問題高性能、低誤碼率問題網(wǎng)絡(luò)限制協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)問題軌道/頻譜支配與干擾協(xié)調(diào)問題182衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播192衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的傳播損傷

傳播損傷物理原因主要影響對(duì)象衰減和太空噪聲的增加大氣層中的大氣、云、雨大約10GHz以上的頻率信號(hào)去極化降雨、冰晶C和Ku波段的雙極化系統(tǒng)（與系統(tǒng)配置有關(guān)）折射、大氣層的多徑大氣層中的大氣低仰角時(shí)的通信和跟蹤信號(hào)閃爍對(duì)流層和電離層的折射率起伏對(duì)流層：10GHz以上的頻率和低仰角；電離層：10GHz以下的頻率反射多徑、阻擋地表面、地球表面上的物體衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)傳播時(shí)延、變化對(duì)流層、電離層精確定時(shí)和定位系統(tǒng)，時(shí)分復(fù)用多址接入(TDMA)系統(tǒng)系統(tǒng)間干擾風(fēng)管、散射、衍射目前主要是C波段；降雨散射可能會(huì)影響更高頻率202衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播大氣吸取損耗大氣吸取損耗是由地球大氣層的氣體吸取能量引起的。大氣吸取損耗隨著頻率的變更而變更。212衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播 大氣吸取損耗氣壓＝1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓溫度＝20C水蒸氣含量＝7.5g/m3222衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播大氣吸取損耗大氣吸取存在兩個(gè)吸取峰值點(diǎn)：第一個(gè)峰值點(diǎn)在22.3GHz頻率處，主要是由水蒸氣(H2O)諧振吸取引起的。其次個(gè)峰值點(diǎn)在60GHz頻率處，主要是由氧氣(O2)諧振吸取引起的。在明顯離開峰值點(diǎn)的其它頻率處，吸取損耗相當(dāng)?shù)牡汀?32衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播大氣閃爍效應(yīng)是一種衰落現(xiàn)象。由大氣層中不同的折射率而引起電磁波的聚焦和擴(kuò)散，造成傳播路徑的不同而引起。衰落周期約幾十秒。鏈路預(yù)算時(shí)引入備余量來補(bǔ)償。242衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播電離層效應(yīng)電離層中自由電子的不規(guī)則變更引起的信號(hào)隨機(jī)起伏變更。影響包括閃爍、吸取、到達(dá)方向變更、傳播時(shí)延、散射、頻率變更和極化（法拉第）旋轉(zhuǎn)。對(duì)衛(wèi)星通信而言，主要是閃爍和極化旋轉(zhuǎn)。全部影響隨頻率增加而減小，且大多數(shù)與頻率平方成反比。252衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播電離層閃爍電離層閃爍的主要影響是對(duì)信號(hào)可能產(chǎn)生嚴(yán)峻的衰落。可能持續(xù)幾分鐘。鏈路預(yù)算時(shí)引入備余量來補(bǔ)償。262衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播極化旋轉(zhuǎn)極化偏移的角度（法拉第旋轉(zhuǎn)）與電磁波通過電離層路徑的長度、地球磁場強(qiáng)度、電子密度等因素有關(guān)。法拉第旋轉(zhuǎn)與頻率的平方成反比，10GHz以上時(shí)可忽視。圓極化時(shí)不對(duì)電場的同極化或交叉極化重量產(chǎn)生影響；線極化則需極化跟蹤。272衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播降雨衰減是由于雨滴的散射和吸取引起。單位降雨衰減是降雨率的函數(shù)。降雨率指雨水蓄積的速度；降雨率超過指定值的時(shí)間百分比。單位降雨衰減與頻率和極化方式有關(guān)。降雨衰減與信號(hào)經(jīng)過降雨區(qū)域的有效路徑長度有關(guān)。282衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播降雨衰減292衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、1電波傳播各種外部噪聲宇宙噪聲大氣噪聲－與頻率、仰角有關(guān)降雨噪聲－與雨量、頻率、仰角有關(guān)地面噪聲干擾噪聲302衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、2衛(wèi)星通信的工作頻段衛(wèi)星通信工作頻段的選擇是一個(gè)特殊重要的問題，它將影響到系統(tǒng)的傳輸容量、地球站及轉(zhuǎn)發(fā)器的放射功率、天線尺寸和設(shè)備困難程度等。312衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、2衛(wèi)星通信的工作頻段選擇原則電離層不能成障礙天線系統(tǒng)接收的外界噪聲盡量小電波傳輸損耗盡量小各種干擾盡可能避開具有較寬的可用頻帶322衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、2衛(wèi)星通信的工作頻段無線電頻率分區(qū)區(qū)域1：歐洲、非洲、前蘇聯(lián)和蒙古。區(qū)域2：南北美洲和格陵蘭島。區(qū)域3：亞洲（除區(qū)域1中的地區(qū)外）、澳大利亞和 西南太平洋在這些區(qū)域，衛(wèi)星頻帶被支配給各種衛(wèi)星業(yè)務(wù)。一種給定的業(yè)務(wù)在不同的區(qū)域可能支配給不同的頻帶——防止同頻干擾；也可能支配給相同的頻帶——提高頻譜利用率。332衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、2衛(wèi)星通信的工作頻段衛(wèi)星供應(yīng)的業(yè)務(wù)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)（FSS）衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)（BSS）衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)（MSS）衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星間業(yè)務(wù)342衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、2衛(wèi)星通信的工作頻段衛(wèi)星通信目前運(yùn)用的頻段VHF（0.1～0.3GHz）UHF（0.3～1GHz）L波段（1.0～2.0GHz）S波段（2.0～4.0GHz）C波段（4.0～8.0GHz，4/6GHz）X波段（8.0～12.0GHz）Ku波段（12～18GHz，11/14GHz，12/14GHz）K波段（18～27GHz）Ka波段（27～40GHz，20/30GHz，20/40GHz）352衛(wèi)星通信的電波傳播和工作頻段2、2衛(wèi)星通信的工作頻段363通信衛(wèi)星3、1衛(wèi)星軌道開普勒定律普遍適用于宇宙中通過重量相互作用的隨意兩個(gè)物體。（主體和副體或衛(wèi)星）開普勒定律衛(wèi)星圍繞地球的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓，且地心在這個(gè)橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。對(duì)于相同的時(shí)間間隔，地心指向衛(wèi)星的矢量掃過的面積相同。軌道周期的平方正比于地心到衛(wèi)星的平均距離的立方。此平均距離等于長半軸。373通信衛(wèi)星3、1衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道分類按軌道形態(tài)－圓軌道和橢圓軌道按軌道平面傾角－赤道軌道、極軌道和傾斜軌道按軌道高度－靜止軌道、中軌道、低軌道和長橢圓軌道按運(yùn)轉(zhuǎn)周期及相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)關(guān)系－同步軌道和非同步軌道383通信衛(wèi)星3、1衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道分類LEOMEOGEOHEO393通信衛(wèi)星3、1衛(wèi)星軌道對(duì)地靜止軌道相對(duì)地球表面的固定視察者呈現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)的衛(wèi)星，稱作對(duì)地靜止衛(wèi)星，簡稱靜止衛(wèi)星。對(duì)地靜止衛(wèi)星運(yùn)行的軌道稱為對(duì)地靜止軌道，簡稱靜止軌道。403通信衛(wèi)星3、1衛(wèi)星軌道成為對(duì)地靜止軌道的三個(gè)條件衛(wèi)星必需以與地球相同的旋轉(zhuǎn)速度向東運(yùn)動(dòng)。軌道必需是圓形的。軌道的傾角必需為零度。對(duì)地靜止軌道只有一條，資源珍貴413通信衛(wèi)星3、1衛(wèi)星軌道衛(wèi)星的攝動(dòng)－偏離開普勒定律所確定的志向軌道的現(xiàn)象太陽、月亮引力的影響－南北漂移地球引力場不勻整的影響－東西漂移地球大氣層阻力的影響太陽輻射壓力的影響－東西漂移必需實(shí)行位置保持技術(shù)，克服攝動(dòng)423通信衛(wèi)星3、1衛(wèi)星軌道星蝕和日凌中斷日凌星蝕星蝕秋分春分433通信衛(wèi)星3、1衛(wèi)星軌道軌道平面傾斜效應(yīng)OΔθ

Δφ

A1B1Δφ＝φB－φAΔθΔφ443通信衛(wèi)星3、2通信衛(wèi)星的覆蓋地球覆蓋區(qū)分類453通信衛(wèi)星3、2通信衛(wèi)星的覆蓋地球覆蓋區(qū)分類463通信衛(wèi)星3、2通信衛(wèi)星的覆蓋亞洲四號(hào)Ku波束點(diǎn)波束覆蓋圖實(shí)例473通信衛(wèi)星3、3通信衛(wèi)星的組成有效載荷收發(fā)天線支持通信傳輸?shù)碾娮釉O(shè)備－轉(zhuǎn)發(fā)器483通信衛(wèi)星3、3通信衛(wèi)星的組成衛(wèi)星平臺(tái)艙體電源－太陽能帆板、蓄電池姿態(tài)限制－空間指向的限制軌道限制－軌道位置的保持溫度限制－維持固定的溫度條件TT&C（遙測、跟蹤和指令系統(tǒng)）493通信衛(wèi)星3、3通信衛(wèi)星的組成透亮轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)質(zhì)上是一部寬頻帶的收、發(fā)信機(jī)503通信衛(wèi)星3、3通信衛(wèi)星的組成透亮轉(zhuǎn)發(fā)器中寬帶接收機(jī)513通信衛(wèi)星3、3通信衛(wèi)星的組成透亮轉(zhuǎn)發(fā)器中去復(fù)用器523通信衛(wèi)星3、3通信衛(wèi)星的組成透亮轉(zhuǎn)發(fā)器中功率放大器533通信衛(wèi)星3、3通信衛(wèi)星的組成透亮轉(zhuǎn)發(fā)器中功率放大器543通信衛(wèi)星3、3通信衛(wèi)星的組成處理（再生）轉(zhuǎn)發(fā)器

LNA主振源本振本振變頻

變頻

解調(diào)

功放

信號(hào)處理單元

調(diào)制接收天線發(fā)射天線553通信衛(wèi)星3、3通信衛(wèi)星的組成處理（再生）轉(zhuǎn)發(fā)器相對(duì)透亮轉(zhuǎn)發(fā)器的優(yōu)勢避開上下鏈路噪聲的積累上下行鏈路性能、調(diào)制解調(diào)方式一樣時(shí)，總體性能再生衛(wèi)星優(yōu)隔離上下行鏈路中非線性的影響可降低對(duì)地球站的要求（EIRP、G/T值）563通信衛(wèi)星3、4轉(zhuǎn)發(fā)器的主要性能指標(biāo)G/T值（“性能因數(shù)”或“品質(zhì)因數(shù)”）EIRP（有效全向輻射功率）SFD（W）飽合通量密度帶寬與極化方向輸入補(bǔ)償BOi與輸出補(bǔ)償BOo573通信衛(wèi)星584地球站4、1地球站的主要性能指標(biāo)全向有效輻射功率（EIRP）－放射實(shí)力品質(zhì)因數(shù)（G/T）－接收靈敏度射頻工作范圍載波頻率精確度和穩(wěn)定度EIRP的穩(wěn)定度594地球站4、2地球站的組成一個(gè)典型的收發(fā)雙工地球站，一般包括天線分系統(tǒng)、放射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信道終端設(shè)備分系統(tǒng)、伺服跟蹤設(shè)備分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、用戶接口分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等組成。604地球站4、2地球站的組成用戶接口分系統(tǒng)發(fā)基帶處理單元調(diào)制器上變頻器極化變換極化分離跟蹤信號(hào)檢測解制器下變頻器路合器收基帶處理單元接收波分離低噪聲放大器跟蹤接收機(jī)功率放大器驅(qū)動(dòng)裝置程序跟蹤角度檢測電源分系統(tǒng)發(fā)射分系統(tǒng)接收分系統(tǒng)市電至各分系統(tǒng)至各分系統(tǒng)信道終端設(shè)備分系統(tǒng)伺服跟蹤分系統(tǒng)監(jiān)控分系統(tǒng)天線分系統(tǒng)614地球站4、2地球站的組成天線分系統(tǒng)完成發(fā)送信號(hào)、接收信號(hào)和跟蹤衛(wèi)星的任務(wù)，是確定地球站容量和通信質(zhì)量的關(guān)鍵組成部分之一。要求：工作頻率范圍足夠?qū)?；具有較高的增益和合乎要求的輻射波瓣；盡可能低的等效噪聲溫度；良好的旋轉(zhuǎn)性能及機(jī)械精密度等。624地球站4、2地球站的組成放射分系統(tǒng)將基帶信號(hào)對(duì)中頻進(jìn)行調(diào)制，合路后經(jīng)上變頻和功率放大，最終饋送給天線。要求：足夠的輸出功率，以滿足EIRP的要求；放射功率、頻率穩(wěn)定；通頻帶足夠。634地球站4、2地球站的組成接收分系統(tǒng)對(duì)收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、下變頻和解調(diào)。要求：低噪聲；寬頻帶；選擇性好。644地球站4、2地球站的組成信道終端設(shè)備分系統(tǒng)完成基帶信號(hào)的處理和變換。包括信道編碼、話音編碼、數(shù)據(jù)壓縮等。用戶接口分系統(tǒng)完成對(duì)外部及與地面通信線路的接口。654地球站4、2地球站的組成監(jiān)控分系統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的工作狀態(tài)，發(fā)生故障是能告警及故障處理。可能包括網(wǎng)管代理。伺服跟蹤設(shè)備分系統(tǒng)保證地球站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。664地球站4、2地球站的組成電源分系統(tǒng)對(duì)全部通信設(shè)備及幫助設(shè)備供電。要求：定電壓、高牢靠、不間斷。675多址技術(shù)5、1多址接入單址接入衛(wèi)星上的一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器通道被來自地球站的一個(gè)發(fā)送信號(hào)全部占用，這種工作方式稱為單址接入工作模式。多址接入多個(gè)載波共用一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，這些載波來自地理上相隔很遠(yuǎn)的很多地球站，每個(gè)地球站可能放射一個(gè)或多個(gè)載波，這種工作模式被稱為多址接入。685多址技術(shù)5、1多址接入基本的多址接入方式FDMATDMACDMASDMA多址接入與多路復(fù)用是兩個(gè)不同的概念695多址技術(shù)5、1多址接入地球站（a）頻分多址（b）時(shí)分多址（c）碼分多址衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星

t1t2t3t4tN

時(shí)間

123N

地址碼f1f2f3fN頻率705多址技術(shù)5、1多址接入三種基本多址方式的三維表示715多址技術(shù)5、1多址接入三種基本多址方式的三維表示SDMAPDMASDMA+PDMA725多址技術(shù)5、2多址支配制度基本概念為了充分利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率和頻率資源而進(jìn)行的衛(wèi)星通道的支配方式。這里的通道對(duì)應(yīng)著FDMA的頻帶、TDMA的時(shí)隙、CDMA的碼型、SDMA的窄波束。735多址技術(shù)5、2